浅谈物理化学在生物化学中的应用.pdf

运城高 专学 报199 2年第4期浅谈物理化学在生物化学募奋,的应用高惠仙杨_ 立全生物学将 成为二卜一世纪 的带 头科 价,二乞铆化份则吏分最引人沂:!一! 的一门边缘学科它是在物理学 化学、生物学、医药学的毕砂i几发斌起来 的生 物 化学”这一 名称是本世纪初 山Noborg提 出,并逐渐发从成一门独扭的科学,}一冲f末,科学 家已用有机化学和分析化学等理 论和 方法弄 洁楚厂生物体的华本 纵 成,特知井付机体’{’刀,种 垂 要的有机物质 如糖、脂肪 蛋自质及氨基 酸的代谢途社 也L少龚本 常 鲜日而主物化学的一场本任务是探索生物分子的相城作川一与功能;为什么生袄、、子f念仁一体内进行一系列严格有厅的特定反应,反 应 中能敏如何变化,影 响这些反应的因素是l ’1一么对反应妇可瀚竹攀等因J比利用物理化学的有关理沦和方法 研究生物化学问题就越 来越拼抓厂’〔二的 无比优越性一、化学热力学在生物化学中的应用:化学热力学 的基础是 热力学一二大定 律 热力学第一定律指 出:在 一切白然 现象 中,能谁t既不 能消灭,也不能凭空创 造只能 山种形式转变为另一种形 式,任何生物化学过程也必定遵从 第一定律。

为此,我们要研究 如下反应 的平衡位置和能 星交化:A’犷 PjHZO一,AD P一卜Pi当体系达到平衡时,原则 上可以测走参加反 应的各物质浓度和 生成物 的浓度,从i心计算平衡常数k值,但是 该水解反应 进行的诊常迅速,‘},间产物浓度很难 测定,因此我们可以根据热力学第一定律和有关热 力学状 态函数的关系,通过如下两个反应计算生物 化学标 准自山能 变化A G”’l )AT P牛一葡萄糖一_虹葡毛撇一一磷酗A D P测得Kl叫AG 1 0‘一沼I nKIeq酶,翩翻练一 6 一磷酸十11:O-- -- 一仙萄糖+磷酸测得K;eqAG牙=一l { ’HuKqA TP水解反应 的生物化学标准 自山 能变化八眺‘一八GI‘十八G舅‘这一反应的八G’值,在务种 {杏籍一湘文献 中,}灭采川的价‘常不一致,而月有较大出入,这是山J不易精确测定反应的 辛衡常数 犷、授不闷实验空测定时的 温度、酸度、离子强攻等条件不} 司所致热力学第二定律是 描述 自然界能{,卜迁移的力向和限度的定律对于生 物化学体系员然很少处 厂平衡状态,但物质的不断进人细 胞和离开细胞,通 常形成稳态情况运用 平衡态热力 学处理生物化学体系尽管不很严格 然而它却仍有利于 了解 在体外的 细胞反 应,并提供-些 在细胞反应 中的能量关系。

例如对糖酵解 的代谢方向,因人体基本上是维持3 7OC,并且一17一在大气压下生 活,即在等温等压下 进行,就可能通 过使川白山能判据进行判 断因为粉委代 谢中问产物的作用、一是作为生物合 成的结构材料,一是 通 过氧化产 生能 址从糖酵解的途径可以看 出,有些步骤 消耗高能磷酸键化合物A T P,有 些步骤生成A T P从总的代谢过 程可以算出.1摩尔葡萄糖变成2摩尔丙 酮酸净增2摩尔A T P,山于机体内反应 相 当复杂无 法确定代谢中间产物的实 际浓度,所以采月 l标准自山能变化进行6一磷酸葡萄糖缨鹦一“萄”AD I)异构酶酸果粘糖激瞬醛缩酶八,f 奎,磷酸扑”“朴磷_飞荃l材酮醛脱氢阶磷 酸犷汕酸飞月 . 砚..!3汀油酸激随内内 司酸油酸变位 酶 酸布汗带多笋刀目了年乙犷甲梦糖酵解过程 图分析:第步反应葡萄糖于HPO笼一葡萄糖一6一磷 秘此反应八G仁’一13,4KJ/m们,在体内这 种反 应能够l乌发进行,肯定与放 能反 应AT P的水解 相偶联询萄料烤刀科“此汉 厅八G加葡萄糖激晦 ·—一—一令钓萄欲17 龙K J/m01尤6磷 酸于一八DP‘反应果糖一6磷酸一、A,、P~竺些塑丝缨,果、。

1,6一二磷酸十AD P也是与A T P的水解 相偶联卜述消耗的2摩尔AT P可 通过放能反应生成的A TP予以补偿且还有剩余一一18一下 面再看:甘 油醛一3一磷酸氧化成1,3-一磷 酸甘油醛 的反应甘油醛一3一磷酸+N A D++HP以一1,3一万二磷酸甘 油酸+NA DH一卜一 H卜AG“‘~6,3K J/mol这一反 应 所以能进行是 囚为1,3-一二磷酸甘 油酸水解 为高度放能反应,使体系中这种物质浓度很低拼月对f二标堆有效浓度为1)使八G“’变为负位同时AG‘的大 的负谊还能使偶联A Tp生成反应 沙材,1,3一几磷酸一甘油酸十一A 孙P-一孙只截东伙{、宁:;酸{A,’PA(;二“二二一18.8K J/,0一[山以 {一分 析葡萄粉的无一气所解足认出说:、:住成J入TP和丙阴滋,衬然 言的顺序和力’向都止亡山AG“‘所控制的.二、电化学在生 物化学中能反用电化学是研究化华现 泉 勺以绷象一协、·‘勺、i‘拼、产一;洲泉是 电能与化学 能转化,更厂{‘的现象和规律 生物体‘{不沦葡截衍粥,、八、;乍匕价扮朴、乞技 钩的 光介子侧拐那会价一彭口、能碱服 键化合物 这些生 钧咙票‘:一壳彩:介沁才‘_一玻丫畜找f址 以产生乞洲、一 价被厅,一 分解 成段r和,}三一r电于沿 呼吸钊传注 卜来‘一_、{心“__ 尽执;爪结合生成粉2离了O禹J ’再与村结合生成水。

组广叮 吸劫_冲·{:了一洲、产·,、价粼议厅、 和方向,这_ j资决 定于各种呢一 r丁专递材丈的生物化 学札一)讯化沁!‘红子一毛‘知爪‘砂物 物 反的权化还原率反应电仙气即电极 电位)就 知道自孰了价叮砂知「沙玲;专少:、’ 沪、足山负的玲原电位向着升:的还 旅电位迁 移呼l妓链‘1,电子传递 体的认 化坦‘厂. 健_气价 及:沙_};二仔方 向如卜:Dll 十FA劲、伙任孰犷井)火 厂、丫人卜口丫丫户 正亡釜12尸、N 八失卜‘八I)王于杖化一 还原电位一0 .32一O卜叮 O,29分析 蛋l’1质所带电右烤一公 自什么丫团捉供称转丫l:狡 的电位滴 定蛋;!肠几让氮麟酸缩 含去水而形成的生物气分厂,分 户扮从 钟社、⋯汁于扮洲{护H变化l盯解 离只介肤 链N末端的氨基和C末 端的拨并一 及所有分于的恻牡获于’)从丫公受PH位变化而 中和或解 离囚:土蛋自质分子_L的任何一个可解 离的 基团的平衍常数P K位都 会受到邻近可 解 离从州的影响所以要从蛋自质 电位滴定曲线,一,确屯哪段灯减干哪‘ 毕困解 离所决定将呈根 困难 的为此采川 专门抑制某类牡川沙帕托川乙醉抑制按琴、泛丈 诊 }一州‘{扮价漪拉类华团的酸碱程度(例如)l J 甲烷提高一NI到基 的碱性) 然 后分 桥一电位公尔沙执 线 的价:几.从而确定某一 段曲线 与何种琴 团有关,山此就可以确定在某PH时,蛋 自质l一的电菏是山什么基团提供。

例如山卜述方法确定在蛋白质分子上,解离产生负电荷 的酸 性丛l 刃有天门冬氨酸的刀 一拨基( I ’H一4 一 4.8 )在蛋 白质分子一上,同质子结合产生正电荷的碱性基团有组氨酸 的咪哇基(PH~6.4一7.4 ),赖氨酸的6一 氨基(PH一9.5一1 0.动等深人研究维持生命的一系列化学过程,可以通过把电子从一个化学部位携带到另一部位的蛋 白质与电极交换电子,而不与蛋白质 的天然有机酸基 交换电子根据这样的原理就为研究生物体系中的反应,提供了很好的方法例如英国牛津实验室的A ll en一Hi l j等目前正在探索蛋白质和酶在 电极上的反应,以便制造化学传感器,由电极 反应指示酶是否反应,它将在医疗事业上有重大用途近年来,还 不断出现 了许多生物电极,如免疫电极,酶免疫电—19—极,微生物电极等,特别是酶电极的应用,使物质代谢浓度的检查和调 节成为可能,可见,电化学在生物化学 中的应用日益广泛三、化学动力学在生物化学中的应 用化学动力学是研究化学反 应 速度及控制速度的 因索,从而根据反 应 速度与影响因素推测反应机理,化学动力学已在酶学领域有了十分成功的应 用根据Mi chae li、不口Men te。

提出的假定:酶(E)催化下的底物( S )首先生成不稳定的中间产物(ES),中间产物再进一步分解出产物(F)及释放出酶(E)山均相催化动 力学原理:一.一舀乙一一___,._一,__、.、,.__K一:弟一步:b十 书r一一气二~ 一一娜ES共带枷丫奴h.~二丁丁 r、一 1hl「S」〔E」〔ES」(1)其中〔S」浓度为底物 平衡浓度,「E」为酶一 平衡浓度,〔E S」为酶与底物形成中 间产物的平衡第二步:所以,反应速度V二当 〔S」>>〔K2E Se e‘‘斗P+E,这一步 反 应进行较慢,总反 应速 度由这一步 反应 来决定depE瞥时K:「E S」·····、················,,··,·······,·········,········⋯⋯’·‘·‘’·‘·’·‘·戈2)〔S〕一〔ES」生〔S」〔E」一定,〔S」增加到一定值时,反应速度 达到最 大,山于「ES〕分解速度较慢,酶大部分处于与底 物联 结的状态,所以LES〕、仁E」则V一K:〔E S]~K:fE」所以Km(「E」一「ES」)仁S〕、 ,尹八口‘ 产、,护.........‘..‘由甲..卜‘..、...、...,....七.碑‘.,,〔ES〕〔S」V。

1经数学代换K爪」一〔S」(: 1 )式即为酶 促反应 动力学 方程 式,平衡常数K称 为米氏常数,各种酶具有特征伯,是酶 催化反应的一项很好的定量指标酶抑制剂 的研究 也是以化学 动力学 为基础的‘它有 力推动了代谢途 径,药物机理、酶活性 中心及构 象.功能底物专一性及酶作J 月机理研究的进 展通 过以上讨论,可以看出运 川物理化学 的理论和方法解决生物化学问题,不但方便心川大大 推动了生 物化学的不断完善和发展,可以预言随着学科的深人交错,将伴随着 明媚科学存天的到来责任校时马重阳)参考资料二¹陈盛《生物化学中的物理化学》载《生命的化学》1986 .4 :38- 一3 9º罗贵民《生命的电化学》载《生命的化学》198 5 .3:2 4—2 5»陈竹生等译《生物化学中的物理化学原理与问题》科学出版社19 85年¼《物质代谢》人民_L J .生出版社198 7年一20一。